天然气成因理论与应用

3、天然气成因理论与应用（1）天然气成因类型（2）天然气成因类型综合判识（3）煤层气（煤层甲烷）的若干地球化学问题（1）天然气成因类型天然气的气体组成极为复杂，而气态物质往往是有机物或无机物分解或合成过程的产物，因而它所涉及的化学过程和作用也是相当复杂的。主要的作用有：细菌的生物地球化学作用矿物的催化作用有机质的缩聚作用和脱基团作用加氢和氢的重排作用岩石与介质的高温合成反应地幔物质脱气作用1、天然气形成的地球化学作用2、天然气成因类型近十年来，我国在天然气的认识上取得了很大的进展，对天然气的成因类型很多学者都提出的自己的认识，有代表性的是戴金星、徐永昌等。其共同的特点是分出了有机气、无机气。有机气中又分出油形气和煤形气，在无机成因的认识上，徐永昌和戴金星强调了不同的侧面。本次讲课基本上采用综合分类表。2、天然气成因类型第一，根据气的物质来源特征划分为两大类：有机气、无机气。第二，按成气有机母质类型的不同，划分为油型气和煤成气两大类。第三，根据各种成气作用的外生营力特征，将有机气的进一步划分，以生物化学作用为主形成的生物气（亦称细菌气）和以热动力学所形成的热解气（热催化气）。第四，针对有机成因气的两大亚类在相似外生营力作用下形成的气体在气体组分和同位素组成上有各自的特征，划分为油型热解气、煤型热解气等天然气成因的第二层次分类。见下表（2）天然气成因类型综合判识1、判识的主要依据主要依据：（1）天然气的组分；（2）碳氢稳定同位素组成；辅助依据：（3）稀有气体同位素组成；（4）天然气伴生的轻质油、凝析油；（5）原油的轻烃地球化学特征。天然气成因复杂，类型众多，科学的天然气成因鉴别，应该是对天然气中混合的各种气体组分的成因鉴别，至少也要认识其中主要组分成因，从而说明天然气的主要成因归属。2、烃气组分的成因鉴别（1）有机甲烷（生物成因）和无机甲烷（非生物成因）的鉴别1依据甲烷的13C1有机成因天然气明显富集轻碳同位素，13C1轻于–60‰。无机甲烷的13C1一般都小于–30‰。2、烃气组分的成因鉴别（1）有机甲烷（生物成因）和无机甲烷（非生物成因）的鉴别2①依据甲烷的13C1由图和表可以清楚地将有机和无机的甲烷气区分开来。②用伴生的稀有气体的同位素和及其组成，可以区别有机和无机的甲烷气。③依据地质产状也是重要的区分方法之一。2、烃气组分的成因鉴别（2）有机成因烃气组分的进一步鉴别①生物气甲烷从组分上看是生物气的主体，它与乙烷以上重烃的比值大于100，甚至大于1000。从碳、氢同位素看13C1分布范围为-55‰~-85‰，明显富集轻碳同位素。从伴生的氢同位看生物气甲烷的同位素受环境水介质的拚同位素组成的制约，随着伴生水的D值的增加而增大。从产状上看它不与油伴生。②油型烃气与煤成烃气的判别甲烷碳同位素组成判别法。煤型甲烷：13C1≈14.12lgR0-34.39（据戴金星等，1987）13C1≈8.64lgR0-32.8（据徐永昌等，适用连续沉降的煤盆地）油型甲烷：13C1≈15.80lgR0-42.20（据戴金星等，1987）（2）有机成因烃气组分的进一步鉴别（2）有机成因烃气组分的进一步鉴别②油型烃气与煤成烃气的判别甲烷碳同位素组成判别法。C1—C4烷烃系列的单体烃同位素组成判别法。有机成因的C1—C4烷烃系列同位素组成有这样的规律：同源同期的烷烃气中，随碳数增加，13C1值增大。13C113C213C313C4在成熟度相当时，煤型烷烃的C1—C4系列同位素组成一般都重于油型烷烃的对应组分。下表为油型烷烃气与煤型烷烃气的单体烃同位素组成的一般比较。注意：13C113C213C313C4的规律有时会个别逆转，原因是有机烃气与无机烃气的混合；煤型气与油型气的混合；同型不同源气的混合或同源不同期气的混合；烷烃气全部或某些组分被细菌氧化；地温增高等。（2）有机成因烃气组分的进一步鉴别②油型烃气与煤成烃气的判别甲烷碳同位素组成判别法。C1—C4烷烃系列的单体烃同位素组成判别法。C5—C10轻烃指纹和组成判别法。主要用C5—C10的化合物组成和它们之间的比值来区别煤型气和油型气。通常，油型烃气某些指纹化合物含量较高，而煤型烃气中芳烃和甲基环已烷的丰度较高。用具有一定生源意义的化合物之间的比值或构成图版来划分煤型气和油型气。如图所示。凝析油的碳同位素的组成凝析油油烷——芳指数和石蜡指数天然气的生物标志物都已有效地用于煤型气和油型气的判别上。3、非烃气体组分的成因鉴别①无机成因的CO2组分含量通常要占天然气组分的60%以上，而有机CO2组分在天然气中的浓度一般不超过20%。②从碳同位素组成上看，无机CO2的13CCO2值明显大于有机CO2的。无机13CCO2值-8‰；有机CO2的13CCO2值-11‰；-8‰13CCO2-11‰；为有机CO2和无机CO2共存和混合区。（1）有机与无机二氧化碳的判别3、非烃气体组分的成因鉴别（2）硫化氢的成因鉴别全世界范围内，几乎所有已发现的气藏中都或多或少存在硫化氢气体。它也属天然气的重要非烃组分。硫化氢的成因可以归结为生物成因和热化学成因两大类：生物成因：包括生物降解成因和微生物的硫酸盐还原作用成因；热化学成因：包括热降解成因、热化学还原成因和高温合成成因。硫同位素为主，结合其它一些特征可基本区分不同成因的硫化氢：①生物成因硫化氢硫同位素组成烃，34S一般小于0‰，硫同位素分馏高达22‰，即34S=34SS042-—34SH2S22‰；与H2S相伴生的CO2含量一般较低（5%），且具轻碳同位素特征。34SCO25‰；当H2S浓度低时，H2S气中烃类组分以甲烷为主，甲烷可能具生物甲烷特征；当H2S浓度很高时，共生烃类将会有较多重轻组分（C2+）；对于某些具重同位素组成的生物气，可以用共生的CO2碳同位素予以区分；在H2S的生、储层中可能具生物作用的证据。②热化学成因H2S有重的硫同位素组成，与同源硫酸盐的硫同位素分馏效应小，H2S的硫同位素组成常略小于或等于同源硫酸盐的值，34S一般均大于0‰；与H2S相伴生的CO2含量一般较高，且CO2的碳同位素组成较重，常与地层中碳酸盐的碳同位素相近，一般在0‰左右；地层中H2S的浓度随有机质演化程度的加强而增大，硫同位素组成也随之变重，反之亦然；甲烷碳同位素组成偏重，甲烷同系物的碳同位素组成具典型的油型气特征。3、非烃气体组分的成因鉴别（3）汞的成因判别天然气中的汞蒸气是分散的有机和无机汞化物经还原和挥发而形成的，富含腐殖型有机质的源岩产生的天然气，常有最高的汞含量。油型气中，汞主要为有机汞，蒸气（零价汞）的浓度非常低；而煤型气中有机汞和汞蒸气（零价汞）兼有，汞蒸气（零价汞）浓度超出油型气两个数量级。3、非烃气体组分的成因鉴别（4）稀有气体组分的研究天然气中的稀有气体组分主要为氦（He）、氩（Ar）和氪（Kr），均属无机成因。利用稀有乞体的同位素组成判识天然气来源和成因类型、天然气年代学研究和含油气盆地大地热流估算三个方面。4、天然气成因类型的综合判别天然气是以各种气源释放的各种挥发物质组成的复杂混合物。其成因类型要根据同位素、气组分、轻烃、凝析油和储层沥青中生物标志物进行综合判别。其指标见表4、天然气成因类型的综合判别黄第蕃、梁狄刚（1995）根据同位素组成特征，识别出塔里木盆地东部存在四种不同成因类型的天然气，即源于上三叠—中下侏罗统的湖相裂解相油型气，裂解煤成气，源于下古生界寒武—奥陶系的海相高成熟早期裂解油型气和过成熟裂解油型气。（3）煤层气（煤层甲烷）的若干地球化学问题1、煤层气的基本概念“煤层气”属于一种特殊赋存状的煤成（型）气，它在文献中更多地被称为“煤层甲烷”（coalbedmethane）。煤层是多孔物质，并有强的吸附性能，煤层内储存有数量不等的煤化作用过程生成的气体。以甲烷为主，煤层内的气体一直处于运移过程中的动态平衡状态。煤层气是一种非常规性天然资源。煤本身正在作为储层，甲烷被看作为有价值的商品，而不只是采矿公害。成为世界瞩目的重要新能源。（3）煤层气（煤层甲烷）的若干地球化学问题2、煤化作用与煤层气的生成煤层气属煤化作用过程的副产品。煤中有机质的基本结构单元主要是带有支链和各种官能团的缩合稠核芳香系统。支链、官能团与缩合芳香核之间的比例关系既与成煤的原始物料和显微组分有关，又与煤化作用程度有关。不论何种情况，随着煤化程度加深，基本结构单元中六员碳环的数量不断增加，支链和官能团不断脱落、减少，并释放出大量气、液产物，其主要成分为CH4、CO2和H2O。从褐煤到无烟煤的演化过程中，每吨煤可生成甲烷气约142~198立方米，其绝大部分逸散到相邻的岩层或大气中，仅有10%的左右以吸附状态保留在煤层中。经计算，我国煤成气资源量见表。（3）煤层气（煤层甲烷）的若干地球化学问题3、煤层气的组成与控制因素（1）组成：①气体成分煤层气以甲烷为主，一般占气体组成的80%~90%以上，乙烷以上重烃气体含量较低，一般小于5%，N2和CO2往往是含量仅次于CH4的气体组分，分别可达20%~5%和5%以下。②甲烷同位素组成特征我国煤层气的13C1值分布在-70‰~-13‰之间。大多数煤层甲烷的13C1值分布在-70‰~-40‰的范围内。（3）煤层气（煤层甲烷）的若干地球化学问题4、煤层气的组成与控制因素①热演化程度在低煤阶和高煤阶阶段富含甲烷；而在中煤阶阶段（R0约为0.6~1.5%—时是“湿的”。②煤的显微组分组成中煤阶富气煤（富含壳质组或富氢镜质组）产生比富氧煤（壳质组含量低）更湿的气体和较轻13C的甲烷，但这种趋势往往会被后期的次生过程改造得有些模糊。（2）煤层气组成的控制因素4、影响煤层气储层性质和煤层气富集的地球化学因素（1）煤层气的赋存状态及储层性质（2）煤化作用对煤吸附能力的影响（3）煤的显微组分组成对煤吸附能力的影响（4）影响煤孔隙性的因素（3）煤层气（煤层甲烷）的若干地球化学问题4、煤层气的组成与控制因素①热演化程度在低煤阶和高煤阶阶段富含甲烷；而在中煤阶阶段（R0约为0.6~1.5%—时是“湿的”。②煤的显微组分组成中煤阶富气煤（富含壳质组或富氢镜质组）产生比富氧煤（壳质组含量低）更湿的气体和较轻13C的甲烷，但这种趋势往往会被后期的次生过程改造得有些模糊。（2）煤层气组成的控制因素（3）煤层气（煤层甲烷）的若干地球化学问题5、煤层气的资源评价方法煤层气的赋存特点决定其需要采取不同于常规天然气的资源量计算和评价方法。（1）基础参数的选取包括煤储存量煤层甲烷含量（2）煤层甲烷资源量计算包括区域资源量估算用蒙特卡洛法进行资源量计算。煤成气资源分布西北7.65万亿立方米；华北17.13万亿立方米；东北0.4万亿立方米；滇藏0.01万亿立方米；华南2.15万亿立方米。(4)我国的煤层气资源华北煤层气有利选区分布（以山西、陕西为重点选区）沁水煤成气大气田（储量1000亿立方米）